VR技术在高职机械制造专业中的应用探索
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摘 要：VR（virtual reality）技术是通过计算机模拟出与现实一致的场景，生成一种交互式的三维动态视景，从而实现主体在虚拟环境中的仿真体验。基于虚拟技术的特点与优势，一方面，可以避免传统机械制造专业中设备、原件、耗材等在实际的操练中大量的磨损、消耗与返工后的重复修改，节省了人力与财力，提高了机械制造的工作效率。另外一方面，将VR技术运用于课堂教学中，可以提高学生对硬件精密程度的感知能力和学习兴趣，激发创造思维，实现“人-人”互动、“人-机”互动的现实模拟场景。这极大地提高了学生们后期顶岗实习走入工作岗位的实操能力，为企业提供更多优质人才。
关键词：VR技术;高职;机械制造
VR（virtual reality）技术，即虚拟现实技术，是指创建虚拟现实世界的计算机仿真系统，它能够利用计算机系统生成一种模拟现实环境的逼真而形象的虚拟世界。与传统的仿真软件及系统相比较，它是仿真技术与传感技术、计算机图形学、人机接口技术、多媒体技术、网络技术等多种技术的集合，是一门交叉性前沿学科和研究领域，其模拟性、交互性、实际操作性更强。目前，VR技术的应用十分广泛，如外科手术、军事模拟虚拟战场训练、体育训练、心理咨询、航空航天、交通运输、室内装潢设计、环境监测、机械设计与制造等方面。利用虚拟现实系统，让人足不出户获得身临其境般的体验。这样能够节省成本，打破实验场地、设备、配套人员、工具、材料等限制，将最大化实现虚拟演练，规避种种风险，为真正进入现实环境中的操作奠定基础。
基于VR技术的前景与优势，我们将讨论其在机械制造专业领域中的应用。在高职院校的机械制造课程教学中，理论授课和实践操作，两者是缺一不可的。VR技术能够很好地实现两者的有机结合，一方面，老师可以一面讲解，一边呈现虚拟的场景，实现讲解与操作同步，避免枯燥的理论授课，提高学生们的学习兴趣;老师还可以先讲授，然后自己示范，最后让学生跟学;老师也可以让学生来直接操作，让其暴露自己在操作过程中薄弱或缺乏的知识，带着这些实践中的疑问再回过头来学习理论知识，学习完理论知识再回到虚拟现场的操作中，帮助解决之前的困惑。另一方面，学生们通过虚拟操作可以降低在实际机械制造工艺中的设备、原件、材料的耗损，通过虚拟演练，适当规避实际制造过程中的风险，节约教学成本，提高学习效率。
一、机械制造教学现状分析
由于传统的机械制造专业在教学中存在的弊端給我们的教学工作带来一定程度的阻碍，认清这些因素有利于我们利用VR技术手段来改进教学。
（一）从招生角度来看
由于国家近些年来鼓励职业教育的发展，职业学院响应号召扩大招生规模，学生基数剧增，使得教学资源严重吃紧，如模具数量短缺、实训场地狭小、工艺耗材量大等，为了缓解教学班在使用机械制造实训工场的压力，有些职业院校不得不压缩学生使用机床的教学课时，减少了大家的实操时间，这样严重影响了教学进程与课程设置，也不利于学生未来的专业发展。
（二）从实训厂房设备的角度来看
目前，大部分职业院校都建立了实训基地，这需要大面积场地、建设实训楼房、购买机械制造设备、模具、刀具、工艺材料等，还需配备机械操作人员与管理人员等等，这都需要巨大的经费投入。而且，一些大型设备，如减速器、轴承、机械手、离合器、制动器、联接等原材料在长期的使用过程中由于不当地操作、时间因素、突发停电等原因会造成折旧、损坏与磨耗等，这些都是一笔巨大的教学开支，也为教学的投入增加了大量的成本，也限制了专业的深入发展。
此外，校内实训工场只是某一单一工种的模拟和训练，学生并没有实实在在地参与实际工厂完整的生产环节，也不熟悉各个岗位的工作具体要求，现实企业的“设计要求、生产质量、成本控制、出货日期、跟踪服务”等无法得到有效的展现，因此，学生无法体验到一种真实的工作环境和工作氛围。
（三）从师资的角度来看
目前，较多高职院校的机械制造专业授课老师们的专业水平都有了普遍的提高，甚至有不少的研究生来承担专业课的教学。然而这些高学历层次的老师擅理论研究，很少在企业工作过，因此，缺乏一定的应用技能和与市场接轨的工作经验，无法了解企业需要的真正技能人才。
（四）传统数控仿真软件的缺陷
当前，有些高职院校采用数控仿真软件来模拟机床操作，如菲克、宇航等，这些数控软件能够加工出模具的一个大概轮廓，无法达到精确的尺寸要求，加工过程相对粗糙，生产出的工艺品劣品较多，也无法验证加工结果，更不能让学生真实感受不当操作带来的不安全隐患。这样会造成对真正的机械制造的理解不深刻。
二、VR技术的特征概述
（一）沉浸感（Immersion）
VR技术根据人类的视觉、听觉的生理心理特点，在计算机操作系统中产生逼真的三维立体图像，使用者通过交互设备，如头盔显示器、数据手套、鼠标、键盘等来接受信息，将自己置身于虚拟环境中，学生们可以与虚拟环境中的机械工具进行互动，就如同现实世界一样。这一特征明显区别于三维仿真技术和3D影视技术，实现使用者的视觉、听觉与外界的分离，让自己沉浸其中，切身体验机械建模、部件设计、元件组装等工艺过程，达到身临其境的效果。
（二）构想性（Imagination）
在虚拟现实系统中装有视觉、触觉、听觉的传感电子元件及反应装置， 因此使用者在虚拟环境中可同时获得视觉、听觉、触觉、动觉等多种感知，这样可以提高学生在机械元件设计、机床操作和维修等上对学习内容的感知程度、认知程度，将虚拟现实与真实现实的环境实现良好的结合，从而使学生深化概念认识和产生新的联想，使抽象概念具体化，激发人的创造性思维。
（三）交互性（Interaction） 虚拟现实技术实现的人机互动远超其它的人机互动系统，更为逼真和接近自然的环境。使用者可以通过电脑键盘、鼠标、VR眼镜、VR数据手套、数据衣、手机等设备进行信息的输入和输出的传感设备进行交互。计算机中VR技术系统能根据使用者的头、手、眼、耳、语言及身体姿势来调整系统呈现的图像及声音。学生们只需要通过自身的语言、肢体动作等自然地方式对虚拟环境中的对象进行操作、合作与互动，处理对象更为逼真和形象。
虚拟技术的这三大特征与机械制造结合起来，可以有效地调动使用者的多个感觉器官参与机械设计、原件制作和机械操控，充分实现人机对话，让学生更真实了解机械制造的完整工艺流程，让机械制造的准确性和效率都得以提高。
三、VR技术的创造性应用
VR技术在机械制造领域中实际应用衍生出了一个词汇——虚拟制造（Virtual Manufacturing），这是将机械制造的流程通过计算机的映射，在虚拟技术、高性能计算机、高速网络、先进设备等支持下，配合计算机群组协同工作，把制造产品的流程与技术集成在三维的、动态的数字模型之上，高效建模，实现产品的精确制造和加工。
（一）机械制造的虚拟概念设计
学生可以利用VR技術按照图纸要求来设计一个虚拟的产品，分析和检查产品的设计是否符合尺寸、大小、性能、质量等要求，如果发现问题可以进行及时修改，避免了工场实地操作需要耗损大量原材料，也避免了实际制造过程中出差错而进行第二次返工设计，这节约了人力成本的开支和提高了工作效率。学生可以模拟客户不同的需要，在虚拟环境下设计和修改不同的产品样式，给予学生更多的犯错机会和学习机会，使得学生对设计和表达的思路更加清晰明了，强化学生的设计理念和对概念的理解，也给学生们呈现出一个更加形象、生动地标本。
（二）机械制造的虚拟设计
在三维的虚拟环境中能够对产品进行观察、操作和设计，将VR技术引入到CAD作图环境中，这种虚拟环境中设计出来的产品具有实物一样的特性，如重量、尺寸大小、材料性能、硬度、外观等物理性能等。可以利用虚拟技术组建模型的各个零部件，核查部件之间的间隙是否达标、轴承的对接有无差错、部件的组装是否正确以及部件的外观设计是否合理等，避免了出厂产品的质量不达标。
（三）机械制造的虚拟制造
在虚拟制造阶段中，让学生在虚拟的环境中准备好图纸、工艺卡，根据工单任务领料，调试好夹具，上好刀具，查验设备有无故障，在这个过程可以通过同学们自检、互检相结合的方式进行，并向班组、检验员进行报告说明。在检查阶段完成后，按照图纸、施工标准、工艺的要求进入正式生产。在正式操作过程中，要注意工件防护、现场设备维护、规范自己的操作流程等。在生产流程结束后，需办理转序手续，在工序流程卡上做好登记记录。严格按照真实工作准备步骤来演练。这样能够在虚拟的环境中扮演不同的角色，承担不同的岗位职责，熟悉机械制造工作流程。这对自然环境的模拟是一个很好的演练。这有利地增强学生们的学习体验、心理沉浸感，实现了情境学习和知识迁移等。
（四）机械制造的虚拟测试
在产品生产出来之后，要考查产品的性能、质量是否达标。通过VR观察模型的系统外形，检查夹具拼装、界面操作是否友好、人机交互性能、组合仪表测试、叶轮加工模块等，通过对产品的组装和试用就发现是否存在问题。这样以便在计算机上进行调整和修改，生成新的模型，保证产品质量符合客户要求，避免产品在生产过程中出现的瑕疵。
五、总结
VR技术在机械制造专业领域中的应用是一种历史趋势，它将从根本上改变机械制造和设计的传统模式。将VR技术引进机械制造专业的课堂教学中，在生产系统和工艺过程中进行建模、修改、分析及优化将会节约人力、物力成本，为学校的持续教学指明方向，同时，也提高了学生的学习兴趣、动手能力与思考能力。
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（作者单位：贵州装备制造职业学院，贵州 贵阳 550000）
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